高壓直流接地極單極運(yùn)行對(duì)變壓器脈動(dòng)沖擊

周加斌，陳玉峰，顧朝亮，雍軍，趙文彬，姜朋亮

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090）

我國現(xiàn)已建成多條高壓和特高壓直流輸電工程，直流輸電系統(tǒng)通常是雙極運(yùn)行方式，此運(yùn)行狀態(tài)下，高壓直流輸電是由兩條線路構(gòu)成回路，所以雙極是平衡運(yùn)行，接地極沒有電流流入。但是當(dāng)直流輸電工程投運(yùn)調(diào)試或故障期間，將以單極大地方式運(yùn)行，即雙極轉(zhuǎn)單極運(yùn)行方式。直流電流通過接地極流入大地，以大地作為直流輸電的另一根導(dǎo)線形成回路電流，此時(shí)在交流系統(tǒng)中會(huì)存在電位差，高達(dá)幾kA的直流電流通過接地極流入大地，導(dǎo)致直流電流侵入交流系統(tǒng)，使得變壓器繞組出現(xiàn)直流分量，導(dǎo)致直流偏磁現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生變壓器的振動(dòng)噪聲增加和局部過熱等問題，嚴(yán)重威脅交流電網(wǎng)運(yùn)行的安全性[1-4]。

直流偏磁條件下的變壓器運(yùn)行在一種非正常工作狀態(tài)，對(duì)于直流偏磁對(duì)交流電網(wǎng)變壓器勵(lì)磁特性的影響，國外內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究與分析。目前對(duì)于交流電網(wǎng)的偏磁電流計(jì)算主要分為兩種：電路法[3]和有限元法[5]。其中電路法是將地上交流網(wǎng)架與地下土壤模型相結(jié)合，建立統(tǒng)一直流偏磁模型進(jìn)行偏磁電流分析，而土壤結(jié)構(gòu)的精確建模對(duì)于偏磁電流大小影響至關(guān)重要[6-8]。目前主要從接地極選址、變電站選址和流通性分析等方面[9-12]，對(duì)未建變電站的直流偏磁進(jìn)行預(yù)防；對(duì)于已建變電站直流偏磁問題主要是通過裝設(shè)直流抑制裝置進(jìn)行抑制[13-14]。變壓器直流偏磁問題是變壓器繞組中的直流分量產(chǎn)生直流磁通，由于直流磁通的偏置特性，導(dǎo)致主磁通偏置，進(jìn)而引發(fā)一系列電磁反應(yīng)[15-16]。通過梳理近期研究，發(fā)現(xiàn)流入變壓器中性點(diǎn)的直流偏磁電流為隨時(shí)間變化且含有低頻交流分量的脈動(dòng)直流[17]。

綜上所述，目前關(guān)于直流偏磁問題研究中的土壤精確建模、評(píng)估準(zhǔn)確性和優(yōu)化抑制方案等均是圍繞幅值不變的穩(wěn)恒偏磁電流展開，而脈動(dòng)直流對(duì)變壓器勵(lì)磁特性影響的研究甚少。因此本文在直流輸電工程雙極轉(zhuǎn)單極運(yùn)行方式時(shí)，通過交流電網(wǎng)直流偏磁模型和變壓器模型，建立了變壓器直流偏磁聯(lián)合仿真模型，分析了脈動(dòng)直流對(duì)變壓器勵(lì)磁特性的影響規(guī)律。

1 直流偏磁聯(lián)合仿真模型機(jī)理

1.1 接地極的影響機(jī)理

直流輸電工程以單極大地方式運(yùn)行時(shí)，直流輸電系統(tǒng)通過接地極向大地注入直流電流，以接地極為中心會(huì)形成一個(gè)電位場(chǎng)。由于變電站位置不同，兩站之間存在直流電位差，直流電流會(huì)通過變壓器接地中性點(diǎn)流入交流系統(tǒng)。直流偏磁現(xiàn)象導(dǎo)致了變壓器磁路出現(xiàn)飽和。變壓器鐵心為非線性鐵磁材料，直流磁通與交流磁通的疊加使變壓器總磁通向一側(cè)偏移，當(dāng)變壓器工作點(diǎn)由線性區(qū)域轉(zhuǎn)移到非線性區(qū)域時(shí)，會(huì)造成勵(lì)磁電流的嚴(yán)重畸變。交流網(wǎng)架模型由地上網(wǎng)架部分與地下土壤部分兩部分構(gòu)成，對(duì)于m個(gè)變電站，b個(gè)獨(dú)立的接地中性點(diǎn)，則有[18]：

式中：Um，Im分別為主變中性點(diǎn)直流電位、偏磁電流的列向量；Ub，Ib和Rb分別為各變電站相連支路的支路電壓、支路直流和支路電阻的列向量；Gb為支路導(dǎo)納矩陣；B為n×m的關(guān)聯(lián)矩陣。

土壤模型為多層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。hi，ρi分別為對(duì)應(yīng)層的厚度和土壤的電阻率，i=1，2，3；g為直流接地極。假設(shè)地表電位為V，接地極g的入地電流為I0。

圖1 多層土壤模型Fig.1 Multi-layer soil model

將式（8）、式（9）聯(lián)立，對(duì)變電站地表電位及直流偏磁電流進(jìn)行分析。

1.2 變壓器直流偏磁機(jī)理

2 直流偏磁聯(lián)合仿真模型

2.1 接地極近區(qū)交流網(wǎng)架模型

為分析直流輸電工程單極大地方式運(yùn)行時(shí)，交流網(wǎng)架的直流偏磁影響水平，本文采用CDEGS接地計(jì)算軟件建立近區(qū)交流網(wǎng)架模型，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。選取接地極周邊7座變電站，其中，3座500 kV站，4座200 kV站，對(duì)站內(nèi)的主變、地網(wǎng)、站間線路及土壤進(jìn)行精確建模，并進(jìn)行各變電站偏磁電流的分析。相關(guān)參數(shù)如表1～表3所示。

圖2 電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Network topology of power grid

表1 土壤模型參數(shù)Tab.1 Soil model parameters

表2 線路參數(shù)Tab.2 Line parameters

表3 變壓器參數(shù)Tab.3 Transformer parameters

2.2 變壓器直流偏磁模型建立

目前，直流偏磁問題所引起變壓器的一系列電磁效應(yīng)和直流承受能力尚未被系統(tǒng)地研究分析。因此，研究由脈動(dòng)直流電流引起的直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁、振動(dòng)和噪聲特性的影響是十分必要的，其中脈動(dòng)直流侵入條件下的變壓器勵(lì)磁特性變化規(guī)律尤為重要。因此，本文利用電磁仿真軟件PSCAD搭建變壓器仿真模型，模型電路圖如圖3所示[19-20]，變壓器內(nèi)部參數(shù)如下：變壓器容量24 kV·A，初級(jí)繞組額定電壓458 V，次級(jí)繞組額定電壓230 V，長(zhǎng)度比率2.0%，空載電流3%，泄漏阻抗0.17，繞組損壞0.1，面積比率1%。

圖3 模型接線圖Fig.3 Connecting diagram of model

在以往變壓器直流偏磁問題研究中，均考慮偏磁電流為穩(wěn)恒直流時(shí)變壓器勵(lì)磁特性變化，并沒有考慮到脈動(dòng)直流對(duì)變壓器勵(lì)磁特性的影響。利用本文建立的變壓器直流偏磁模型，對(duì)脈動(dòng)直流下的變壓器勵(lì)磁特性變化規(guī)律進(jìn)行分析，可以更精確地模擬變壓器的實(shí)際工作狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 直流偏磁電流仿真結(jié)果分析

直流輸電工程投運(yùn)測(cè)試期間，直流接地極多次采用單極大地回線運(yùn)行方式，入地電流為1 090 A。受測(cè)試影響，變壓器中性點(diǎn)有直流電流流入，變壓器的振動(dòng)、噪聲有所加劇，為此利用本模型搭建了接地極周邊220 kV及以上站點(diǎn)的網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算各變電站直流偏磁電流，結(jié)果如表4所示。從表中可以看出，直流輸電工程以單極大地方式運(yùn)行時(shí)，變壓器繞組中出現(xiàn)直流偏磁電流，其大小與變電站電壓等級(jí)和地理位置相關(guān)，其中電壓等級(jí)為500 kV的變電站B所受影響最為嚴(yán)重。

表4 各變電站直流Tab.4 DC bias currenl of each substation

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流輸電工程雙極轉(zhuǎn)單極大地運(yùn)行方式時(shí)，直流接地極近區(qū)地表電位的變化如圖4所示，接地極附近的地表電位呈現(xiàn)一種波動(dòng)變化，地表電位的變化與離接地極距離有關(guān)，越靠近接地極，地表電位波動(dòng)越大。選取算例中的變電站A和變電站B進(jìn)行變壓器偏磁電流分析，流入變壓器的直流電流如圖5所示，由圖可知，直流輸電工程雙極方式轉(zhuǎn)單極方式運(yùn)行時(shí)，交流電網(wǎng)變壓器繞組中的偏磁電流為隨時(shí)間變化的脈動(dòng)直流，從直流測(cè)量的角度看，該脈動(dòng)直流仍為直流電流。

圖4 地表電位變化Fig.4 Surface potential changes

圖5 偏磁電流波形圖Fig.5 Waveforms of magnetic bias current

3.2 變壓器勵(lì)磁特性分析

在無直流偏磁時(shí)，得到的變壓器的勵(lì)磁電流仿真值為1.45 A，與額定值1.5 A的誤差小于5%，滿足誤差范圍，驗(yàn)證了本文變壓器直流偏磁仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

為研究脈動(dòng)電流對(duì)變壓器勵(lì)磁特性的影響規(guī)律，在本文仿真模型的基礎(chǔ)之上，通過在原邊將低頻交流電流源和直流電流源并聯(lián)模擬流入變壓器繞組中的偏磁電流。本文設(shè)置低頻交流電流源頻率為10 Hz，幅值分別為0.5 A，1 A和2 A，直流電流源幅值為5 A，仿真得到的變壓器勵(lì)磁電流如圖6所示。

圖6 不同工況下的勵(lì)磁電流Fig.6 Excitation currents at different working conditions

直流電流越大，變壓器鐵磁材料越趨于飽和。直流電流細(xì)微的變化都會(huì)使勵(lì)磁電流發(fā)生更嚴(yán)重的畸變，脈動(dòng)電流侵入變壓器繞組導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流波形波動(dòng)，不同幅值脈動(dòng)電流下的變壓器勵(lì)磁電流峰-谷差值，如圖7所示。隨著脈動(dòng)電流幅值的增加，勵(lì)磁電流峰值與谷值的差值在增加，由此本文認(rèn)為，脈動(dòng)直流電流使得變壓器鐵磁材料工作點(diǎn)反復(fù)變化，導(dǎo)致勵(lì)磁電流波形發(fā)生波動(dòng)，脈動(dòng)電流幅值越大，勵(lì)磁電流波形波動(dòng)越大。這會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)模式異常，當(dāng)變壓器長(zhǎng)期處于異常振動(dòng)模式下，可能會(huì)加劇噪聲，使得鐵心繞組和緊構(gòu)件的松動(dòng)、加速絕緣材料的機(jī)械老化，不利于變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文為后續(xù)研究實(shí)際偏磁電流對(duì)變壓器繞組振動(dòng)、本體噪聲及絕緣材料老化的特性，提供了一定依據(jù)[21]。

圖7 勵(lì)磁電流-峰谷差值曲線Fig.7 Peak-vally difference curve of excitation current

4 結(jié)論

搭建了變壓器直流偏磁聯(lián)合仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，證明了在直流輸電工程雙極方式轉(zhuǎn)單極方式運(yùn)行時(shí)，侵入變壓器繞組中的偏磁電流為一隨時(shí)間變化的脈動(dòng)直流。

直流偏磁對(duì)變壓器勵(lì)磁特性的影響要以勵(lì)磁電流峰值為依據(jù)，而不能簡(jiǎn)單地以通入的直流電流幅值為依據(jù)，為后續(xù)進(jìn)一步研究不同頻率、振幅下的變壓器振動(dòng)噪聲提供了一定的依據(jù)。